裂隙岩体损伤流变断裂力学模型及其工程应用

结合“八五”国家科技攻关项目“三峡船闸高边坡关键技术研究”及国家自然科学基金重大项目子课题“三峡船闸开挖卸荷岩体高边坡的稳定变形机制及加固优化措施”,采用理论和试验分析的方法,从细观尺度到宏观尺度研究了岩石的损伤流变断裂,建立了裂隙岩体的损伤流变断裂力学模型,并将其应用于三峡永久船闸高边坡稳定分析。本论文包括以下内容     

多裂隙岩体的损伤断裂分析及工程应用

本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于多裂隙岩体特性的等效连续模型。综合运用损伤力学和断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等;建立了损伤演化方程和多裂隙岩体的本构关系。利用所建立的模型,对一座水电站地下厂房的分步开挖进行了数值模拟。     

冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析

 寒区饱水裂隙岩体受反复冻融作用影响,沿裂隙端部出现裂纹萌生、延展、偏转、分叉等现象,造成裂隙端部局部化区域损伤,进而诱发端部断裂造成岩体整体失稳。现采用相似材料配制0°,30°,45°,60°,90°的单裂隙类砂岩试样,并对裂隙内部充分饱水,展开10,20,30,50次冻融循环试验,而后观测裂隙端部区域在不同裂隙倾角、冻融循环次数下局部化损伤效应差异规律。藉此,对裂隙岩体在冻融循环作用下的局部化损伤效应进行分析,并结合断裂力学应力叠加理论,验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律。结果表明：(1) 冻融循环作用下单裂隙岩体存在局部化损伤效应,按照局部区域宏观裂纹发育状况,可将裂隙端部划分为：断裂区、渐进损伤区、系统损伤区;(2) 随着裂隙倾角增大,冻融循环过程造成的局部化损伤效应越不显著,对应的声波波速值越大;(3) 冻融循环过程中,主要在30°,45°,60°斜裂隙岩体出现主裂纹分叉、偏转现象;(4) 裂隙角度愈缓,冻融循环作用造成的主裂纹偏转现象越早产生,偏转方向逐渐趋于水平,且沿初始裂隙走向的延展长度越短;(5) 冻融循环引起局部化损伤在上下端部存在差异,裂隙下端部较早发生宏观断裂,且倾角越大,差异现象越明显。研究将为冻融作用下裂隙岩体局部损伤及端部断裂演化规律提供技术参考。     

非贯通裂隙岩体力学特性的损伤力学分析

本文基于岩石应力-应变全过程曲线及其对应的声发射试验结果,以及岩石在加载条件下损伤的产生与演化的微观试验和三种不同应力条件下非贯通裂隙岩体模型的强度、变形破坏试验的结果,分析了非贯通裂隙岩体损伤的宏观力学响应和岩体损伤机制;探讨了岩体损伤的局部性及其力学效应。由大量模型试验。通过引入“局部损伤修正系数”,建立了非贯通裂隙岩体考虑损伤的强度预测公式,并用此公式预测了一些模型的三轴强度,结果与实测强度吻合较好。     

裂隙岩体的损伤断裂理论与应用

本文将损伤力学和断裂力学结合起来,分析岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性。定义了岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变。建立了岩体的等效连续损伤断裂本构模型。讨论了在压应力作用下的裂隙闭合效应。提出了裂隙岩体损伤断裂复合强度理论。利用损伤断裂模型对一地下洞室的分步开挖进行了数值模拟分析,获得了与现场实测数据比较吻合的结果。     

裂隙岩体渗流损伤耦合模型的理论分析

 基于自洽理论推导了复杂应力状态下含水裂隙岩体的本构关系及损伤演化方程, 提出了考虑断裂损伤效应的裂隙岩体渗透张量表达式, 综合以上两个方面, 建立了多裂隙岩体渗流损伤耦合的理论模型。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

空洞裂隙对岩体强度影响的损伤力学分析

综合运用损伤力学理论与统计分析方法,结合岩石Mohr-Coulomb屈服破坏准则,建立岩石抗压强度与损伤因子之间的关系,进一步探讨岩石孔隙率对岩石抗压强度影响的理论关系.从砂岩试样抗压试验结果看,理论公式是可靠的.     

裂隙岩体弹塑性—损伤本构模型

岩体中通常含有大量断续状裂隙,它们对岩体结构的变形和稳定性有着不可忽视的影响。本文应用损伤力学原理,建立了这种岩体的弹塑性—损伤本构模型.室内试验和地下厂房实测验算说明,该本构模型是合理有效的.     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

岩体的压剪损伤机理及其在岩爆分析中的应用

本文探讨了压剪裂纹的启裂和扩展准则，对前人的经验性判据进行了理论分析，在此基础上建立了考虑裂纹闭合效应和裂纹相互作用的岩体压剪细观损伤力学模型。根据压剪损伤模型，发现岩爆是在洞室开挖过程中（或开挖完毕后）围岩发生应力调整（切向应力增加、径向应力减小）而诱发岩体中的预存裂纹发生摩擦滑移、界面扩展、裂纹扭折以至裂纹相互连接而导致围岩发生宏观脆性断裂的产物。数值模拟结果表明：本文建立的压剪损伤模型的计算结果与实验结果具有良好的一致性，并且裂纹闭合应力对岩体的应力－应变关系具有明显的影响，表现为损伤应变随裂纹闭合应力的增加而增加，尤其是侧向应变更加显著。     

崩塌体失稳关键区岩石损伤特性试验研究

针对导致大型高陡危岩失稳的底部关键区域损伤劣化问题,通过声发射试验以及数值模拟试验获取关键区岩石试样在三轴压缩过程中的应力应变及声发射特征参数,利用损伤理论对试样的损伤特性与演化规律进行分析。研究结果表明:试样呈现出典型的脆性岩石破坏特征,伴随能量集中释放,在主破裂出现时刻声发射计数骤增;随着围压升高,声发射活跃频度增大,沉寂期缩短;不同围压下累计声发射计数曲线均呈现出初期平缓—中期缓增—后期陡升的阶段性特点,并与应力应变曲线具有良好对应关系;数值模拟试验所得到的力学及声发射数据能够合理反映并补充声发射试验结果,两种试验方法获取的岩石损伤性质参数及其趋势规律基本一致;基于累计声发射计数构建损伤变量,据此可定量化分析试样及危岩失稳关键区的损伤演化状态。本研究对具有相同失稳模式的高陡危岩损伤特性分析具有重要参考。     

日本地下石油储藏的岩体特征分析

日本岛是环太平洋地区的一部分,位于欧亚板块、太平洋板块和菲律宾三大板块的交接处.在这一复杂的地质构造区域,一些欧洲的地质学家十分怀疑是否能在这种"脆弱的"地层中布置大规模、长距离的隧道进行石油储藏,但是,储藏量达500万kl的串木野、菊间、久慈三个大型地下石油储备基地的成功运行,证明了在日本这样"脆弱的"地层中储藏石油是可行的.由于我国东部沿海地区与日本岛在地层和地质特征方面具有相似性,因此分析日本地下石油储藏的岩体地质条件,对我国目前正在该区域进行的地下石油储藏具有重要的指导意义.     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

次裂纹几何分布对裂纹岩体破坏机制影响研究

通过对含有裂纹的类岩石试件进行单轴压缩试验,研究次裂纹角度、长度以及岩桥尺寸对多裂纹岩体的破坏机制和裂纹扩展特征的影响规律。结果表明:次裂纹角度增加,初裂强度和峰值强度呈递增趋势,主、次裂纹闭合速度和宽度突增值减小,裂纹张开速度和剪切滑动变化值均增大。主、次裂纹之间岩桥贯通路径变短;次裂纹长度增加,初裂强度和峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度变化值和剪切滑动变化值均增加,次裂纹长度的增加降低了试件的完整度,岩桥贯通区域的椭圆形核体增大;岩桥尺寸增加,初裂强度呈递增趋势,峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度突增值和剪切应变增长值减小,裂纹张开速度和剪切应变突增值增加。分析总结了次裂纹几何分布对岩桥贯通的影响规律。     

岩体微裂纹密度确定方法及应用

运用细观损伤理论的方法,建立了岩体参数与室内岩块间的关系,认为只有合理确定了裂纹密度参数,才能使细观损伤理论确定岩体参数的方法成为可能。提出了采用完整性系数法、弹性波方程法和地质调查统计法确定岩体裂纹密度的方法,分析了3种方法确定岩体裂纹密度的差异;结合统计数据,分析比较了Taylor法、广义自洽法、Taylor介质法对裂纹相互作用的考虑及确定岩体力学参数的适应性。结果表明,采用完整性系数法确定岩体裂纹密度,Taylor介质法确定岩体参数可以得到比较合理的结果。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

爆破震动对小净距隧道岩体损伤的声波测试

以庄盖高速戴峪岭2号小净距隧道为实际工程背景,采用理论分析与现场试验相结合的方法,建立了小净距隧道的岩体累计损伤与声波之间的受扰动关系,从而达到指导现场和提高安全精度的目的。     

大体积混凝土的裂缝控制

随着大体积混凝土的广泛应用,其施工理念逐渐普及,大体积混凝土的裂缝控制技术的掌握及应用越来越引起人们的关注。文章主要介绍了大体积混凝土裂缝产生机理及相关控制措施,并结合实际工程建设提出了可行性措施。     

大体积混凝土裂缝机理分析及其控制措施

根据大体积混凝土裂缝的种类、特征,分析了各种裂缝产生、发展的机理,并基于约束系数定义,求出产生基础贯穿裂缝的结构实际应力。从材料和施工方面提出了大体积混凝土裂缝控制的主要措施。